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摘 要：H85型履带式液压挖掘原厂采用氮气缸作为行走缓冲装置，其故障率高，经济效益差。针对原机采用氮气缸作为行走缓冲装置这一致命的缺陷，本文对其缓冲装置进行改造设计，采用目前大型挖掘机普遍使用的较为可靠的弹簧作为缓冲装置。自改造后，本设备工作正常，行走部分故障率大大降低，维修成本维修耗时大幅下降，给我公司带来显著的经济效益。
关键词： H85 液压挖掘机 缓冲装置 改造设计
前 言：
瓮福磷矿下属英坪露天矿是一座大型现代化的大型露天矿山， 1993年从杭州重型机械厂（中德合资）购入H85型液压反铲，原值236.67万元/台。1994年投运以来，故障率较高，可动率低，使用至今共运行6682小时。该设备2005年来一直处于故障停机状态，造成该机不能正常使用的最大问题便是履带行走张紧装置松弛故障，原设计采用氮气缸作为缓冲装置，由于H85自重85吨，斗容量3m3，属于大型液压挖掘机，其作业环境复杂，行走时，过大的冲击载荷，极易造成氮气缸漏气，进而影响履带张紧度。该设备长期处于闲置状态，给公司造成较大的经济损失。针对原机采用氮气缸作为行走缓冲装置这一致命的缺陷，对其缓冲装置进行技术改造，通过分析对比，采用目前大型挖掘机普遍使用的较为可靠的弹簧作为缓冲装置。
1.设计方案
1.1.缓冲弹簧
缓冲弹簧的作用：一是保证适当的履带张紧，二是当导向轮受到前方的冲击载荷时，缓冲弹簧回缩吸收震动，防止履带和驱动轮损坏，因此在对张紧装置缓冲弹簧进行设计时，必须考虑的两个重要问题一是弹簧的预载，二是缓冲量。
1.1.1弹簧的预载
履带装置的预紧力对履带行走性能具有很大影响，预紧力过大，使履带刚性太大，张紧装置起不到缓冲作用，同时会造成履带行走机械内摩擦力的增加，从而造成发动机功率的损失以及加快履带的磨损速度；预紧力太小又会使履带松弛，起不到张紧作用，同时造成履带上方振动及跳动，也会造成摩擦力的增加。因此，在设计上对履带装置给出一个合理的预紧力，对提高履带的行走性能具有重大的作用。
弹簧的最小预紧力是根据车辆在斜坡上倒挡时为使引导轮不出现缓冲所需要的弹簧负荷力而求出。一般都采用经验公式计算，即以整机的使用重力乘以一个经验系数作为履带的预紧力，但他不能适应不同的履带行走机械。履带预紧力能使履带的下垂度控制在所需的范围内，也就是说预紧力可以通过履带的下垂度来反映。因此，履带的下垂度就能计算出履带所需的预紧力。
1.1.1.1下垂度的测量
垂度的测量主要考虑测量两点，一是履带最松驰的地方，也就是所受牵引力最小的地方；二是测是跨度最大的地方。在一条履带中，履带所受牵引力最小的地方为驱动轮的输出端（如图1所示），同时，在垂度相等的情况下，跨度大履带所需的拉力也大。
图1 履带下垂度测量方法
1.1.1.2下垂度计算
对于履带链轨来说，它的拉力计算可用悬链线拉力的公式来近似计算，先求出悬链线的下垂度，其下垂度的计算公式为：
式中： ――履带每米得量（ ），
――常数10，
――任意一点的距离（ ），
――两端支点的距离（ ），
――链轨的拉力（ ），
――两支点与平线的夹角（度），
求出链轨的最大下垂度，也就是函数 对 求导数，
令 =0 ，即可求出： =
这时链轨有最大下垂度，其值为：
（1）
1.1.1.3 履带初拉力计算
通过式（3）的转换，可以求出履带的最小拉力，其计算为：
（2）
由于链轨毕竟不同于钢丝绳等柔性物体的悬链线计算，同时考虑到履带托链轮作用所引起的两端受力不均匀性，而且只是最小初拉力，因此采用一个系数 对链轨的初拉力给予修正，其计算公式为：
（3）
式中： ――链轨的初拉力（N），
――修正系数，当托链轮个数为1时， =1.8；托链轮个数为2时， =2，托链轮个数为3时， =2.2
1.1.1.4弹簧预张紧力的计算
弹簧预张紧力的计算与履带驱动力轮在前后的位置有关，图3中所示为履带内阻力的计算图，当驱动轮在后面时，仅位置1为紧边，设紧边的张紧力为P，其大小为驱动轮的驱动力；而另外三个位置2、3、4为松边，故张紧弹簧的张紧力为：
（4）
式中：ω ――履带运行时引起张紧力变化的阻力之和，ω =0.05G，G为机器重量。
当驱动轮在前面时，则位置1、2、3三个位置均为紧边，而只有位置4为松边，这时弹簧张紧力的计算为：
（5）
设行走装置总牵引力等于机重的80%则每条履带的牵引力为
F=0.4×g×G （6）
作用在链轮上的扭矩为
P=（D×F）/2 （7）
式中： D—链轮节圆直径
——修正系数， =1.2
从式6、式7可以看出，当动轮在前面时，由于导向轮两边均为紧边，因此，计算出来的张紧力 大于驱动轮在后面张紧力 ，因此，在设计弹簧张紧，以T1作为弹簧的预张紧力，而以T2作为弹簧的最大张紧力，以这两个数为基准来进行弹簧的设计或选型。
1.1.1.5 H85挖掘机缓冲装置主要参数计算
在H85挖掘机中，每米履带的重量为q=400 kg/m，托链轮与驱动轮、引导轮以及托链轮之间的间距为 1=1.5m 2=1.6m 3=1.5m，履带最小下垂度为70mm，机器重量为85吨、单条履带的最大牵引力为34000kgf，链轮节圆直径D=1200mm根据上面的（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）计算公式可得： S0=144850 N
ω=42500 N
P=187000 N
T1=332.2 kN
T2=532.1 kN
通过上面的计算，H85履带全液压挖掘机的张紧装置预张紧力为332.2kN，弹簧最大张紧力为532.1kN。
1.2缓冲弹簧的弹性行程
缓冲弹簧的弹性行程是指弹簧从预紧状态到最大变形状态的变形量。根据履带张紧缓冲装置设计的原则，缓冲弹簧的弹性行程应能在各种严重的工况下，如跨越障碍以及履带链的驱动段堵塞污泥和嵌入石块等情况下，完全补偿履带链曲线的变化。
要能完全补偿履带链曲线的变化而避免履带行走机构零件过载，缓冲弹簧的弹性行程必须满足：A履带和驱动轮可脱开啮合；B履带可从导向轮上滑脱。
1.2.1缓冲弹簧的弹性行程计算
在实际设计中，驱动轮齿高一般大于导向轮轮缘高度，所以研究履带和驱动轮脱开啮合的情况即可以确定缓冲弹簧的弹性行程。为使驱动轮和履带链间卡入石块时不至卡死，应使履带链可以在驱动轮齿顶圆上滑动。设履带链为完全柔性的，则履带链在驱动轮齿顶圆上滑动时，驱动轮齿顶圆的1/2周长为πDe/2。正常啮合时，确定齿根圆的1/2周长为πDi/2，此时履带拉动导向轮后移动了（πDe/2-πDi/2）/2=π（De-Di）/4，即缓冲弹簧的弹性行程：
（8）
式中 ——驱动齿顶圆直径mm
——驱动齿根圆直径mm
1.2.2 H85挖掘机缓冲弹簧的弹性行程
已知H85挖掘机De =1300 Di = 1100
由于H85挖掘机驱动轮齿高大于导向轮轮缘高度，使用采用（8）的计算公式得：
mm
所以H85缓冲弹簧的弹性行程取160mm
1.2.1 H85缓冲弹簧的设计
弹簧中径 mm 225
簧丝直径 mm 75
最大工作高度 mm 1140
最小工作高度 mm 980
自由高度 mm 1300
材料许用剪切应力t N/mm2 627
材料切变模量G N/mm2 79000
缠绕比C 3
曲度系数K 1.58
工作极限压力Pj 292194.2
单圈极限变形fj 10.65214
计算螺距 93.152
计算有效圈数 12.74798
选定有效圈数 12.5
实际螺距 95
总圈数 14
压并高度 1166.848
最大工作高度时的压力N 344281.1
最小工作高度时的压力N 588562.2
1.2.张紧油缸
1.2.1张紧油缸工作压力
式中： ———密封圈所承受压强
———张紧液活塞杆直径
考虑到油缸受到的瞬间冲击载荷，为保证油缸可靠，张紧油缸工作压力采用一个系数 对其给予修正，其计算公式为：
———
1.2.1.1 H85挖掘机张紧油缸的工作压力
由于履带的初拉力T2=553.21KN，设 =200mm，根据压强公式，则有：
22MP
1.2.2张紧油缸工作行程的确定
张紧油缸工作行程应大于履带链节距的一半，以便在履带链因磨损变长时，可拆去一块履带板而继续使用。
S2≥0.5t
式中：S2——张紧液压缸的工作行程（mm）
t——节距长
1.2.2.1 H85挖掘机张紧油缸工作行程
由于H85的链轨节距为250mm，则
S2≥0.5t=125mm
所以取H85挖掘机张紧油缸工作行程S1=130mm
2.结束语
上述对H85液压挖掘机履带缓冲弹簧以及张紧液压缸的主要技术参数的计算，为设计H85液压挖掘机履带张紧缓冲装置提供了依据，避免了经验设计，提高科学性。本公司根据以上计算结果确定了H85履带张紧缓冲装置的改造方案。通过改造后，H85液压挖掘机的履带行走机构使用状态良好，完全能满足使用要求，行走机构故障率大大降低，维修成本维修耗时大幅下降，给我公司带来显著的经济效益。
参考文献：
[1]同济大学 《工程机械底盘构造与设计》 中国建筑工业出版社（1982出版）
[2]同济大学 《工程机械底盘设计》 机械工业出版社（1994出版）
[3]诸文农 《底盘设计》 机械工业出版社（1981出版）
作者简介：
熊 峰，（1981.11—）男，贵州，学历：大学，单位：瓮福（集团）有限责任公司，职称：助理机械工程师，研究方向：工程机械。
康小红，（1984.11—），女，籍贯：甘肃，学历：大学，单位：瓮福（集团）有限责任公司，职称：助理机械工程师，研究方向：工程机械。
关键词： H85 液压挖掘机 缓冲装置 改造设计
前 言：
瓮福磷矿下属英坪露天矿是一座大型现代化的大型露天矿山， 1993年从杭州重型机械厂（中德合资）购入H85型液压反铲，原值236.67万元/台。1994年投运以来，故障率较高，可动率低，使用至今共运行6682小时。该设备2005年来一直处于故障停机状态，造成该机不能正常使用的最大问题便是履带行走张紧装置松弛故障，原设计采用氮气缸作为缓冲装置，由于H85自重85吨，斗容量3m3，属于大型液压挖掘机，其作业环境复杂，行走时，过大的冲击载荷，极易造成氮气缸漏气，进而影响履带张紧度。该设备长期处于闲置状态，给公司造成较大的经济损失。针对原机采用氮气缸作为行走缓冲装置这一致命的缺陷，对其缓冲装置进行技术改造，通过分析对比，采用目前大型挖掘机普遍使用的较为可靠的弹簧作为缓冲装置。
1.设计方案
1.1.缓冲弹簧
缓冲弹簧的作用：一是保证适当的履带张紧，二是当导向轮受到前方的冲击载荷时，缓冲弹簧回缩吸收震动，防止履带和驱动轮损坏，因此在对张紧装置缓冲弹簧进行设计时，必须考虑的两个重要问题一是弹簧的预载，二是缓冲量。
1.1.1弹簧的预载
履带装置的预紧力对履带行走性能具有很大影响，预紧力过大，使履带刚性太大，张紧装置起不到缓冲作用，同时会造成履带行走机械内摩擦力的增加，从而造成发动机功率的损失以及加快履带的磨损速度；预紧力太小又会使履带松弛，起不到张紧作用，同时造成履带上方振动及跳动，也会造成摩擦力的增加。因此，在设计上对履带装置给出一个合理的预紧力，对提高履带的行走性能具有重大的作用。
弹簧的最小预紧力是根据车辆在斜坡上倒挡时为使引导轮不出现缓冲所需要的弹簧负荷力而求出。一般都采用经验公式计算，即以整机的使用重力乘以一个经验系数作为履带的预紧力，但他不能适应不同的履带行走机械。履带预紧力能使履带的下垂度控制在所需的范围内，也就是说预紧力可以通过履带的下垂度来反映。因此，履带的下垂度就能计算出履带所需的预紧力。
1.1.1.1下垂度的测量
垂度的测量主要考虑测量两点，一是履带最松驰的地方，也就是所受牵引力最小的地方；二是测是跨度最大的地方。在一条履带中，履带所受牵引力最小的地方为驱动轮的输出端（如图1所示），同时，在垂度相等的情况下，跨度大履带所需的拉力也大。
图1 履带下垂度测量方法
1.1.1.2下垂度计算
对于履带链轨来说，它的拉力计算可用悬链线拉力的公式来近似计算，先求出悬链线的下垂度，其下垂度的计算公式为：
式中： ――履带每米得量（ ），
――常数10，
――任意一点的距离（ ），
――两端支点的距离（ ），
――链轨的拉力（ ），
――两支点与平线的夹角（度），
求出链轨的最大下垂度，也就是函数 对 求导数，
令 =0 ，即可求出： =
这时链轨有最大下垂度，其值为：
（1）
1.1.1.3 履带初拉力计算
通过式（3）的转换，可以求出履带的最小拉力，其计算为：
（2）
由于链轨毕竟不同于钢丝绳等柔性物体的悬链线计算，同时考虑到履带托链轮作用所引起的两端受力不均匀性，而且只是最小初拉力，因此采用一个系数 对链轨的初拉力给予修正，其计算公式为：
（3）
式中： ――链轨的初拉力（N），
――修正系数，当托链轮个数为1时， =1.8；托链轮个数为2时， =2，托链轮个数为3时， =2.2
1.1.1.4弹簧预张紧力的计算
弹簧预张紧力的计算与履带驱动力轮在前后的位置有关，图3中所示为履带内阻力的计算图，当驱动轮在后面时，仅位置1为紧边，设紧边的张紧力为P，其大小为驱动轮的驱动力；而另外三个位置2、3、4为松边，故张紧弹簧的张紧力为：
（4）
式中：ω ――履带运行时引起张紧力变化的阻力之和，ω =0.05G，G为机器重量。
当驱动轮在前面时，则位置1、2、3三个位置均为紧边，而只有位置4为松边，这时弹簧张紧力的计算为：
（5）
设行走装置总牵引力等于机重的80%则每条履带的牵引力为
F=0.4×g×G （6）
作用在链轮上的扭矩为
P=（D×F）/2 （7）
式中： D—链轮节圆直径
——修正系数， =1.2
从式6、式7可以看出，当动轮在前面时，由于导向轮两边均为紧边，因此，计算出来的张紧力 大于驱动轮在后面张紧力 ，因此，在设计弹簧张紧，以T1作为弹簧的预张紧力，而以T2作为弹簧的最大张紧力，以这两个数为基准来进行弹簧的设计或选型。
1.1.1.5 H85挖掘机缓冲装置主要参数计算
在H85挖掘机中，每米履带的重量为q=400 kg/m，托链轮与驱动轮、引导轮以及托链轮之间的间距为 1=1.5m 2=1.6m 3=1.5m，履带最小下垂度为70mm，机器重量为85吨、单条履带的最大牵引力为34000kgf，链轮节圆直径D=1200mm根据上面的（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）计算公式可得： S0=144850 N
ω=42500 N
P=187000 N
T1=332.2 kN
T2=532.1 kN
通过上面的计算，H85履带全液压挖掘机的张紧装置预张紧力为332.2kN，弹簧最大张紧力为532.1kN。
1.2缓冲弹簧的弹性行程
缓冲弹簧的弹性行程是指弹簧从预紧状态到最大变形状态的变形量。根据履带张紧缓冲装置设计的原则，缓冲弹簧的弹性行程应能在各种严重的工况下，如跨越障碍以及履带链的驱动段堵塞污泥和嵌入石块等情况下，完全补偿履带链曲线的变化。
要能完全补偿履带链曲线的变化而避免履带行走机构零件过载，缓冲弹簧的弹性行程必须满足：A履带和驱动轮可脱开啮合；B履带可从导向轮上滑脱。
1.2.1缓冲弹簧的弹性行程计算
在实际设计中，驱动轮齿高一般大于导向轮轮缘高度，所以研究履带和驱动轮脱开啮合的情况即可以确定缓冲弹簧的弹性行程。为使驱动轮和履带链间卡入石块时不至卡死，应使履带链可以在驱动轮齿顶圆上滑动。设履带链为完全柔性的，则履带链在驱动轮齿顶圆上滑动时，驱动轮齿顶圆的1/2周长为πDe/2。正常啮合时，确定齿根圆的1/2周长为πDi/2，此时履带拉动导向轮后移动了（πDe/2-πDi/2）/2=π（De-Di）/4，即缓冲弹簧的弹性行程：
（8）
式中 ——驱动齿顶圆直径mm
——驱动齿根圆直径mm
1.2.2 H85挖掘机缓冲弹簧的弹性行程
已知H85挖掘机De =1300 Di = 1100
由于H85挖掘机驱动轮齿高大于导向轮轮缘高度，使用采用（8）的计算公式得：
mm
所以H85缓冲弹簧的弹性行程取160mm
1.2.1 H85缓冲弹簧的设计
弹簧中径 mm 225
簧丝直径 mm 75
最大工作高度 mm 1140
最小工作高度 mm 980
自由高度 mm 1300
材料许用剪切应力t N/mm2 627
材料切变模量G N/mm2 79000
缠绕比C 3
曲度系数K 1.58
工作极限压力Pj 292194.2
单圈极限变形fj 10.65214
计算螺距 93.152
计算有效圈数 12.74798
选定有效圈数 12.5
实际螺距 95
总圈数 14
压并高度 1166.848
最大工作高度时的压力N 344281.1
最小工作高度时的压力N 588562.2
1.2.张紧油缸
1.2.1张紧油缸工作压力
式中： ———密封圈所承受压强
———张紧液活塞杆直径
考虑到油缸受到的瞬间冲击载荷，为保证油缸可靠，张紧油缸工作压力采用一个系数 对其给予修正，其计算公式为：
———
1.2.1.1 H85挖掘机张紧油缸的工作压力
由于履带的初拉力T2=553.21KN，设 =200mm，根据压强公式，则有：
22MP
1.2.2张紧油缸工作行程的确定
张紧油缸工作行程应大于履带链节距的一半，以便在履带链因磨损变长时，可拆去一块履带板而继续使用。
S2≥0.5t
式中：S2——张紧液压缸的工作行程（mm）
t——节距长
1.2.2.1 H85挖掘机张紧油缸工作行程
由于H85的链轨节距为250mm，则
S2≥0.5t=125mm
所以取H85挖掘机张紧油缸工作行程S1=130mm
2.结束语
上述对H85液压挖掘机履带缓冲弹簧以及张紧液压缸的主要技术参数的计算，为设计H85液压挖掘机履带张紧缓冲装置提供了依据，避免了经验设计，提高科学性。本公司根据以上计算结果确定了H85履带张紧缓冲装置的改造方案。通过改造后，H85液压挖掘机的履带行走机构使用状态良好，完全能满足使用要求，行走机构故障率大大降低，维修成本维修耗时大幅下降，给我公司带来显著的经济效益。
参考文献：
[1]同济大学 《工程机械底盘构造与设计》 中国建筑工业出版社（1982出版）
[2]同济大学 《工程机械底盘设计》 机械工业出版社（1994出版）
[3]诸文农 《底盘设计》 机械工业出版社（1981出版）
作者简介：
熊 峰，（1981.11—）男，贵州，学历：大学，单位：瓮福（集团）有限责任公司，职称：助理机械工程师，研究方向：工程机械。
康小红，（1984.11—），女，籍贯：甘肃，学历：大学，单位：瓮福（集团）有限责任公司，职称：助理机械工程师，研究方向：工程机械。